材料课程设计1.doc

辽 宁 工 业 大 学 热工过程与设备 课程设计（论文）题目：热处理箱式电阻炉的设计（生产率60kg/h，功率66kw，工作温度900）院（系）：材料科学与工程学院专业班级：材料071学号：070202019学生姓名：王浩指导教师：李强起止时间：2010-12-272011-1-7课程设计（论文）任务及评语院（系）：材料科学与工程学院 教研室：材料教研室学 号070202019学生姓名王浩专业班级材料071课程设计（论 文）题 目热处理箱式电阻炉的设计生产率60kg/h，功率66kw，工作温度900课程设计（论文）要求与任务一、课设要求熟悉设计题目，查阅相关文献资料，完成箱式电阻炉的设计。二、课设任务设计任务：设计热处理箱式电阻炉，生产率60kg/h，功率66kw，工作温度900。1、炉型选择；2、确定炉体结构与尺寸；3、砌体平均表面积设计；4、计算炉子功率；5、炉子热效率计算；6、炉子空载功率计算；7、空炉升温时间计算8、功率分配与接线；9、电热元件材料选择与计算；10、电热体元件图；11、电阻炉装配图；12、炉子技术指标；13、参考文献。三、设计说明书要求设计说明书结构见设备设计模板。工作计划1设计方案确定，1天；2确定炉体结构尺寸、热效率、空炉升温时间、功率分配和电热元件等的计算，5天；3绘制电热元件图和电阻炉草图，书写整理打印设计说明书，3天；4设计验收及答辩，1天。指导教师评语及成绩成绩： 指导教师签字： 学生签字： 年 月 日辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书目 录一、炉型的选择4二、确定炉体结构和尺寸4三、砌体平均表面积设计6四、计算炉子功率6五、炉子热效率计算9六、炉子空载功率计算9七、空炉升温时间计算9八、功率分配与接线11九、电热元件材料选择与计算11十、电热体元件图13十一、电阻炉结构示意图13十二、炉子技术指标13参考文献13- 15 -设计任务：为某厂设计一台热处理电阻炉，其技术条件为：(1)用途：中碳钢、低合金钢毛坯或零件的退火正火，热处理对象为中小型零件等，无定型产品，重量小，多品种，小批量生产；(2)生产率：60kg/ h； (3)工作温度：最高使用温度900；(4)生产特点：周期式成批装料，长时间连续生产。一、炉型的选择根据设计任务给出的热处理要求及其产品形状尺寸和重量情况，拟选用箱式热处理电阻炉，对产品表面质量无特殊要求，故不通保护气氛。二、确定炉体结构和尺寸1炉底面积的确定对于生产批量不大，工作尺寸及形状特殊者可以用炉子一次装炉量计算炉底面积，但是本设计任务产品无定型，装炉情况复杂，因此不能用炉子一次装料量确定炉底面积。这里用炉底强度指标法计算。已知生产率为60kg/h，按表511选择箱式炉用于正火和淬火时的单位面积生产率p0为40kg/(m2h)，故可求得炉底有效面积F=p/p0=60/40=1.5m2根据有效面积与炉底总面积的关系 F/F1=0.750.851，取系数上限，得炉底实际面积： F1=F/0.85= 1.5/0.85=1.76m22炉底长度和宽度的确定由于热处理箱式电阻炉设计时应考虑装出料方便，取L/B=2:1，因此，可求得 L=1.87 m B=L2=1.872=0.935m 为方便砌砖L=1921mm B=920mm3炉膛高度的确定根据统计资料，炉膛高度H与宽度B之间存在如下关系：HB=0509，考虑炉子的工作条件，取HB=0.7，选定炉膛高度H=0.707m。因此，确定炉膛尺寸如下长 L=(230+2)8+（2300.5+2）=1973mm宽 B=(120+2)5+（113+2）2+（40+2）4=1008mm高 H=(65+2)10+37=707mm为了防止工件与炉内壁或电热元件搁砖之间相互碰撞，在设计时可在工件与炉膛内壁之间留下一定的空间，由此确定工作室有效尺寸为L效=1700mmB效=900mmH效=550mm砌体结构如图1所示：图1砌体结构示意图4炉衬材料及厚度的确定炉子的侧墙采用两层炉衬：113mmQN1.0轻质粘土砖+60mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+ 113mmB级硅藻土砖。由于侧墙、前墙及后墙以及炉顶的工作条件相似，故前墙与后墙采用与侧墙相同的炉衬结构。炉底：采用三层QN1.0轻质粘土砖(67 3)mm + 50mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡十182mmB级硅藻土砖和膨胀珍珠岩复合炉衬。炉顶：采用113mmQN 1. 0轻质粘土砖十80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡十115mm膨胀珍珠岩。炉门 用65mmQN1.0轻质粘土砖+80mm密度为250kg/m3的普通硅酸铝纤维毡+65mmA级硅藻土砖。炉底隔砖采用重质粘土砖，电热元件搁砖选用重质高铝砖。（注67=65+2，2是砖缝的宽度。）炉底板材料选用Cr-Mn-Ni耐热钢，根据炉底实际尺寸给出，分三块或四块，厚20mm。三、砌体平均表面积计算砌体外廓尺寸如图1所示。L外=L+2(115+60115)=2553mmB外=B+2(115+60+115)=1588mmH外=H+f+(115+80+115)+674+50+182=707+135+310+268+50+182=1652mm式中：f为拱顶高度，此炉子采用600标准拱顶，取拱弧半径R=B，则f可由f =R(1- o )=135求得。1.炉顶平均面积F顶内=（2R/6）L=21.008/61973=2.08F顶外=B外L 外=2.5531.588=4.05m2 2.炉墙平均面积炉墙面积包括侧墙及前后墙，为简化计算将炉门包括在前墙内。F墙内=2LH+2BH=2H（L+B）=20.707（1.008+1.973）=4.215m2F墙外=2H外（L外+B外）=21.652（2.553+1.588）=13.68m2F墙均= =7.59m23.炉底平均面积F底内=BL=1.9731.008=1.988m2F底外=B外L外=1.5882.553=4.05m2F底均= =2.83m2四、计算炉子功率1据热平衡计算炉子功率(1) 加热工件所需的热量Q件由附表62得，工件在900及20时比热容分别为C件2=0.636KJ/(kg)，C件1=0.486KJ(kg)，根据 Q件=p(C件2t1-C件lt0)=60(0.636900-0.48620)=33761KJ/h(2) 通过炉衬的散热损失Q散由于炉子侧壁和前后墙炉衬结构相似，故作统一数据处理，为简化计算，将炉门包括在前墙内。根据式(115)3对于炉墙散热，如图594所示，首先假定界面上的温度及炉壳温度，炉内温度t1=900 界面温度为t2=760 t3=460 炉壳温度t4=60耐火层S1的平均温度 ts1均=（900+760）/2=830，硅酸铝纤维层S2的平均温度 ts2均=（760+460）/2=610,硅藻土砖层S3的平均温度 ts3均=（460+60）/2=260，S1、S3层炉衬的热导率由附表3得 1=0 .29+0.256 10-3 ts1均 =0.29+0.256 10-3 830=0.502W/(m) 3=0.131+0.23 10-3 ts3均 =0.131+0.23 10-3 260=0.191W/(m)。 普通硅酸铝纤维的热导率由附表4查得，在与给定温度相差较小范围内近似认为其热导率与温度成线性关系，由tS2均= 610 ，得2=0 .129W/ ( m)当炉壳温度为60，室温为20时，由附表2经近似计算得=12. 17W /(m2) （综合传热系数） 求热流计算及验算交界面上的温度t2墙、t3墙满足一般热处理电阻炉表面温升50的要求。室温20 计算炉墙散热损失Q墙散= q墙F墙均=6407.59=4857.6W同理可以求得Q顶散= q墙F顶均=6402.9=1856WQ底散= q墙F底均=6402.83=1811.2W整个炉体散热损失Q散= Q墙散+Q顶散+ Q底散=4857.6+1856+1811.2=8524.8W=30689kj/h(3) 开启炉门的辐射热损失 设装出料所需时间为每小时6分钟，根据式(56)2Q辐=3.65.675Ft-式中：C黑体辐射系数； F炉门开启面积或缝隙面积（m）； 3.6系数；炉口遮蔽系数；t炉门开启率(即平均1小时内开启的时间)，对常开炉门或炉壁缝隙而言t=1。因为Tg=900+273=1173K，Ta=20+273=293K，由于正常工作时，炉门开启高度的一半，故炉门开启面积F=B=1.0080.7072=0.356炉门开启率t=0.1由于炉门开启后，辐射口为矩形，且与B之比为0.3535/1.008=0.35，炉门高度与炉墙厚度之比为0.3535/0.29=1.21，由图1-144第一条线图1-144查得=0.7故0.29 = (0.113+0.002)+(0.113+0.002)+0.06 (m)（4）开启炉门溢气热损失溢气热损失 Q溢=qvaaCa（tg-ta）t其中空气密度a=1.29 kg/m3由附表103得Ca=1.399KJ/（m3）ta=20 ，tg为溢气温度，tg=20+ （900-20）=606 （5）其它热量损失其他热量损失越为上述热损失之和的1020故Q它=0.15（Q件+Q散+Q辐+Q溢）=0.15 (33761+30689+9600.96+44735) =17817.9kJ/h（6）热量总输出其中Q辅=0，Q控=0，Q总=Q件+Q辅+Q控+Q散+Q辐+Q溢+Q它 =33761+30689+9600.96+44735+17817.9 =136603.9 kJ/h（7）炉子的安装功率P安=其中K为功率储备系数，本炉设计中K取1.4，则P安=（1.4136603）/3600=53.12kw为减少加热时间，与标准炉子相比较，取炉子功率为60kW。五、炉子热效率计算1正常工作时的效率由式(512)1=33761/136603=24.72在保温阶段，关闭炉门时的效率=Q件/Q总-（Q辐+Q溢）=41六、炉子空载功率计算P空=13.5kW七、空炉升温时间计算由于所设计炉子的耐火层结构相似，而保温层蓄热较少，为简化计算，将炉子侧墙、前后墙及炉顶按相同数据计算，炉底由于砌砖方法不同，进行单独计算，因升温时炉底板也随炉升温，也要计算在内。1.炉墙及炉顶蓄热V侧粘=21.973(130.067+0.135)0.115=0.457m3V前后粘=2（1.008+0.1152）(170.067+0.135)0.29=0.914m3V顶粘=(1.973+0.276)1.298 0.115=0.312m3V侧纤=2(1.973+0.115) (130.067+0.135) 0.06=0.252 m3V前后纤=2(1.008+0.1152)(170.067+0.135)0.06=0.189 m3V顶纤=1.298(1.973+0.276)0.08=0.234 m3V侧硅=2(130.067+0.135)(1.973+0.115)0.115=0.483 m3V前后硅=21.588(170.067+0.135) 0.115=0.465 m3V顶珍2.5531.5880.115=0.466 m3由式(59)2因为t粘=(t1+t2墙)2=(900+753)/2=826.5Q蓄=V粘粘C粘(t粘-to)+V硅硅C硅(t硅-t0)查附表33得C粘=0.84+0.2610-3t粘=1.055kJ/(kg)t纤=(t2墙+t3墙)/2=（753+455）/2=6042.炉底蓄热计算V底硅=0.2321.973+20.2321.008+20.232=0.832m3V底粘=0.051.973+20.2321.008+20.232=0.179m3查附表33得C粘=0.84+0.2610-3t粘=1.055kJ/(kg)t纤=(t2墙+t3墙)/2=（753+455）/2=604所以得Q底蓄= V底粘粘C粘（t粘-t0）+ V底纤纤C纤(t纤 -t0)+V底硅硅C硅（t硅 -t0）=0.8321.0551000(826.5-20)+0.2020.98250604+0.1790.91500262.3=759168 kJ3. 炉底板蓄热根据附表61查得900和20时高合金钢的比热容分别为：C板2=0.670kJ/(kg)和C板1=0.473kJ/(kg)。经计算炉底板重量G=245kg，所以有Q板蓄= G(C板2t1-C板1t0)=245（603-9.46）=145417.3kJQ蓄=Q蓄1+Q底蓄十Q板蓄=1635643+759168+145417.3=2540228.3kJ由式(513)2式得空炉升温时间 升=2540228.3/（360060）=11.8h 对于一般 周期作业炉升温时间在3-8小时左右，所设计的炉子升温时间符合要求。由于蓄热是按稳态传导计算的，误差大，实际升温时间应该是7小时左右。八、功率的分配与接线66kW功率均匀分布在炉膛两侧及炉底，组成Y接线。供电电压为车间动力电网380V。核算炉膛布置电热元件内壁表面负荷，对于周期式作业炉7，内壁表面负击应在1535kwm2之间。 F电=2F电侧+F电底=21.9730.707+1.9731.008=4.78m2 W=P安/F电=69.5/4.78=15.1kW/m2对于周期式作业炉，内壁表面负击应在1535kwm2之间，所以符合条件。九、电热元件材料选择及计算由最高使用温度900，选用线状0Cr27Al7Mo2合金作电热元件，接线方式采用Y。1理论计算法(1)求900时电热元件的电阻率当炉温为900时，电热元件温度取1000，由附表123查得0Cr25Al5在20时电阻率20=1.40mm2/m，电阻温度系数=410-5-1，则1200下的电热元件电阻率为t = 20(1+t)=1.40(1+410-51000)=1.456mm2/m(2)确定电热元件表面功率由图534，根据本炉子电热元件工作条件取W允=5.5W/cm2。(3)每组电热元件功率 由于采用Y接法，即三相星形接法，每组元件功率 P组=66/n=66/3=22kW(4)每组电热元件端电压由于采用Y接法，车间动力电网端电压为380V，故每组电热元件端为每相电压 U组=220V电压即为每相电压U组=220V(5)电热元件直径由式(524)2得线状电热元件直径d=34.3=3.56mm 取d=4mm(6)每组电热元件长度和重量由式(525)2得每组电热元件长度L组=0.785l0-3(U组2d2/P组t)=19.0m 取19m每组电热元件重量由式(528)2得 G组=（/4）d2L组m式中，m=7.1g/cm2所以得 G组=（/4）d2L组m=1.69kg(7)电热元件的总长度和总重量由式(527) 5得电热元件总长度 L总=3L组=319=57m电热元件总重量由式(528) 2得 G总=3G组=31.69=5.08kg(8)校核电热元件表面负荷 W实=P组/dL组=1.38W/cm2 W实W允，结果满足设计要求。(9)电热元件在炉膛内的布置按规定，h/d在24范围内满足设计要求，取3 h=3d=34=12mm布置电热元件的炉壁长度 L=L-50=1973-50=1923mm螺旋体圈数N =L/h =1923/12=161圈丝状电热元件绕成螺旋状，当元件温度高于1000，螺